CN109507399A - 一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法。冬期施工中混凝土因受低温的影响而力学性能下降，特别是负温受冻结冰，因结冰给混凝土带来附加强度，难以正确掌握在冬期施工负温环境下混凝土的力学性能，导致冬期施工进度受到影响，施工质量控制难以保证。对现场混凝土强度发展不能及时准确反馈，导致工程质量存在隐患的几率大大增加。本发明是在混凝土工程中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，通过公式推导计算获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，加热后对混凝土区域I和混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。本发明用于评价混凝土的受冻性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土检测领域，具体涉及一种贯入深度评价混凝土早期受冻性能的方法。
背景技术
在我国，东北西北华北等大部分地区冬期漫长且严寒。冬期的低温天气会对混凝土工程造成一定的损伤，尤其是冬期施工的混凝土，水化速率减慢且极易受冻结冰。受冻结冰后的混凝土孔隙率增大，密实度降低，结冰压力破坏水化产物结构，混凝土力学性能显著下降。由于混凝土表面与负温环境直接接触，表层混凝土降温最快，混凝土温度由外层向内层逐渐降低，混凝土内部未水化的水分将由于向冷端迁移而易在表层聚集成冰，受冻结冰为混凝土带来的附加强度，虽然此时表层混凝土的受冻损伤甚于内部混凝土，但是难以检测冬期混凝土在负温下其表层受冻情况，难以有效地确定混凝土的强度发展，对冬期施工中混凝土工程质量监测与评价存在着滞后和误差，使冬期施工进度受到影响，施工质量控制难以保证，导致工程质量存在隐患的几率大大增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种贯入深度评价混凝土早期受冻性能的方法，以解决由于冬期施工中混凝土结冰、表层混凝土的受冻损伤甚于内部混凝土，难以及时准确评价负温混凝土早期受冻损伤情况，导致冬期施工工程质量差的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，包括：
在混凝土工程中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，通过公式推导计算方式获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，对加热后的混凝土区域I和未加热的混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。
作为优选方案：在混凝土工程浇筑时，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器作为温度测点，温度传感器与温度记录仪相连接，记录混凝土内的温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi。
作为优选方案：确定混凝土区域I中被加热区域的面积，加热深度取40mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
作为优选方案：标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，d＝∑△di，d为混凝土进行测试时的龄期；
根据混凝土区域I的水化程度α计算得到混凝土区域I的结冰量β，计算过程如下：
β＝VW(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，V为混凝土区域I中被加热混凝土的体积；
混凝土区域I的加热时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α及其结冰量β计算得出，当选择恒定功率发热装置(4)的功率为P时，将混凝土区域I中恒定功率发热装置(4)对应的被加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt，其计算公式为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS，ρ为混凝土区域I的密度，Z为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，γ为校正系数，根据公式(1)、(2)和(3)，得到加热时间Δt。
作为优选方案：分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置至Δt时停止加热，此时混凝土区域I处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置，将贯入仪设置在被加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在混凝土区域II处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程受冻结冰情况越严重，当第一贯入深度与第二贯入深度的比值为1时，表示混凝土工程没有遭受到损伤。
作为优选方案：将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，给出现场混凝土早期抗压强度。
作为优选方案：在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域II内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。
作为优选方案：混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min，贯入仪的测点与温度传感器之间水平距离的最小值为500mm。
作为优选方案：温度传感器到混凝土工程表面之间的直线距离为40mm。
作为优选方案：校正系数γ的取值范围为0.3～1。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本方法操作难度低，步骤简单，能够及时评价混凝土受冻性能，对冬期施工的混凝土强度发展能够及时准确反馈，从而保证冬期混凝土施工质量。
2、本发明提出的混凝土加热时间的方法为人工计算，计算过程科学合理且计算结果可靠，能够实现冬期施工现场混凝土的各个测点和不同龄期的混凝土升至正温所需加热时间的测算，为加热过程提供合理有效的操作准则，是能够有效评价混凝土早期受冻性能的重要步骤。
3、本方法不仅能够定量评价混凝土的损伤程度，还能够定量评价混凝土的抗压强度，通过获取的第一贯入深度和第二贯入深度对比得到损伤程度，从而实现受冻损伤程度的评价。通过第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图对比，得到混凝土的抗压强度值，从而实现现场混凝土抗压强度的预测。
4、本发明仅需一个温度传感器即可获得所有测点升温所需要的时间，节省成本，易于操作，安全可靠。
5、本发明通过计算确定混凝土从负温升至正温所需要的时间，避免了加热时间选取的盲目性。
6、本方法能够有效的判断混凝土内部的结冰状态，为混凝土的微破损检测技术。本发明操作方式简单，操作难度低。
7、本发明相对于现有采用大量同条件养护试件的测试方法而言，省时省力。且避免了同条件养护试件的试件尺寸，温度传递的因素对测试结果的影响。
8、本发明操作灵活，测点范围选取广泛，能够用于在混凝土工程的多个部位设置测点，以测试混凝土不同部位的受冻状态。
9、本发明适用于混凝土各个阶段的受冻测试，尤其适用于早期，因为早期混凝土水化程度低，混凝土抗冻害能力较差，结冰量较大，受冻前后贯入深度变化较大，易于分析比较，此外早期混凝土较容易射入测钉，使本发明的操作过程易行，评价结果更加全面且准确。
10、本发明对测试的混凝土年限无限定，即便混凝土服役多年之后，用本方法依然能够获得混凝土的实际抗压强度，以鉴定混凝土的损伤，以监测冬期施工中混凝土不同位置处的受冻结冰情况，保障混凝土的施工质量。
附图说明
图1是恒定功率发热装置的加热状态示意图；
图2是测钉的主视结构示意图；
图3是紧钉器的主视结构剖面示意图；
图4是加力杆的立体结构示意图；
图5是贯入仪主机的主视结构示意图；
图6是贯入仪上膛以及加测钉的主视结构剖面示意图；
图7是贯入仪测试贯入深度的工作状态示意图；
图8是橡皮吹囊的主视结构示意图；
图9是数显深度测量尺的主视结构示意图；
图10为混凝土内部温度-时间关系的曲线图；
上述图中涉及的部件名称及标号汇总如下：
1-混凝土工程；2-温度传感器；3-温度记录仪；4-恒定功率发热装置；5-测钉；6-紧钉器；7-扁头；8-测钉孔；9-扳机；10-把手；11-挂钩；12-加力杆；13-橡皮吹囊；14-数显深度测量尺。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，在冬期混凝土工程1中的同一部位选取两处相邻的典型区域，分别命名为混凝土区域I和混凝土区域II，通过热量守恒计算获取混凝土区域I至正温无冰状态的温升时间Δt，根据计算的温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，利用贯入阻力仪对加热后混凝土区域I和的未加热混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。
进一步的，在混凝土工程1浇筑时，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器2作为温度测点，温度传感器2与温度记录仪3相连接，记录混凝土区域I内的温度Ti和该温度下对应的时长为△di。温度传感器2的设置为记录温度变化，从而为水化程度α的计算提供数据。
进一步的，确定混凝土区域I中被加热区域的面积，加热深度取40mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
进一步的，恒定功率发热装置4的加热功率为50W。由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置4提供的能量，且考虑到被加热区域向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正。校正系数的获取需通过预实验进行得到。
对负温温度进行区间分段，对每个温度区间分别取校正系数，根据混凝土工程1所在地的多年冬期最低温度数据，合理确定预实验所需的温度区间的个数。从0℃开始每降温-5℃作为一个温度区间，保险起见取每个温度区间内最低的温度所对应的校正系数作为该温度区间内的校正系数。
混凝土配合比以及水化程度，冰的存在对加热时间的影响将在对混凝土区域Ⅰ的加热时间计算中考虑，此处校正系数的计算只考虑负温温度的影响。将一块成熟混凝土块放入某温度区间的最低温度Ta℃中，用相同恒定功率发热装置4进行加热，功率为50W，距离混凝土块表面40mm的位置处预埋温度传感器2并连接温度记录仪3。混凝土的比热容为970J/(kg·℃)，密度为ρkg/m3，被加热区域面积与混凝土区域Ⅰ的加热面积相同，均为S，S的单位为m2，则被加热区域的质量为0.04ρS kg。加热至温度传感器2的温度显示为+5℃时即停止试验，记录加热时间D'min。当恒定功率发热装置4所散发的热量全部被混凝土吸收时，混凝土的加热时间理论上应为D min，则应有等式：
3000·D＝970·0.04ρS(5-Ta)＝38.8ρS(5-Ta)
但是由于被加热区域中混凝土向四周的传热以及混凝土本身吸收能量的速度，被加热区域混凝土实际的加热功率并不等于恒定功率发热装置4的功率，导致混凝土实际升温时间为D'min，则混凝土实际的加热功率为：
则校正系数的计算方法为：
进一步的，根据本领域技术常识可知，标准养护28天后混凝土的水化程度可认定达到100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度。d＝∑△di，d为混凝土进行测试时的龄期，单位为天。
根据目标混凝土区域的水化程度α计算得到目标混凝土区域的结冰量β，单位为kg，计算过如下：
β＝WV(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，单位为kg/m3，V为目标混凝土区域中加热混凝土的体积，单位为m3；
混凝土区域I的温升时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α和结冰量βkg计算得出。恒定功率发热装置4的功率为50W，将混凝土区域I中恒定功率发热装置4对应的加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt min，其计算方法为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS℃，ρ目标混凝土的密度，单位为kg/m3，Z为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，单位为kg/m3，根据公式(1)～(3)，得到加热时间Δt min。
进一步的，分别对混凝土区域I和II进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置4设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置4的加热时间设置为温升时间Δt min，启动恒定功率发热装置4至Δt时停止加热，此时混凝土区域I处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置4，将贯入仪安装在加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪安装在混凝土区域II处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果。第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，代表混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土受冻结冰情况越严重。当比值为1时，代表混凝土没有遭受到损伤。
进一步的，将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，获得现场混凝土无冰状态下的抗压强度。
进一步的，在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域II内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。
进一步的，混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min。测试时间小于5min能够确保评价有效性和准确性，防止被加热区域再次结冰。
进一步的，贯入仪的测点与温度传感器2的水平距离不小于500mm，即贯入仪的测点与温度传感器2的水平距离的最小值为500mm，如此设置能够确保贯入深度测试使温度传感器2的使用性能不受影响，有效避免损坏温度传感器2。温度传感器2到混凝土工程1表面之间的直线距离为40mm。
贯入仪的各个测点均为在实际施工的混凝土工程1的表面进行获取。
具体实施方式二：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式包括在混凝土工程1中选取混凝土区域I与混凝土区域II，获取混凝土区域II至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域II进行加热，对混凝土区域I和加热后的混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。混凝土工程1指的是处于冬季施工的混凝土工程1，混凝土区域I为负温状态下混凝土，混凝土区域II为需加热的混凝土。
进一步的，在混凝土工程1浇筑时，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器2作为温度测点，温度传感器2与温度记录仪3相连接，记录混凝土的温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi。温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi是根据评价混凝土工程1的龄期要求决定，例如评价7天内混凝土工程1的受冻性能，即可在7天内测量并获取温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi。
进一步的，确定混凝土区域Ⅰ中被加热区域的面积，加热深度取40mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
进一步的，恒定功率发热装置4的加热功率为50W。由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置提供的能量，且考虑到被加热区域向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正。校正系数的获取需通过预实验进行得到。
对负温温度进行区间分段，对每个温度区间分别取校正系数，根据混凝土工程所在地的多年冬期最低温度数据，合理确定预实验所需的温度区间的个数。从0℃开始每降温-5℃作为一个温度区间，保险起见取每个温度区间内最低的温度所对应的校正系数作为该温度区间内的校正系数。
混凝土配合比以及水化程度，冰的存在对加热时间的影响将在对混凝土区域Ⅰ的加热时间计算中考虑，此处校正系数的计算只考虑负温温度的影响。将一块成熟混凝土块放入某温度区间的最低温度Ta℃中，用相同恒定功率发热装置4进行加热，功率为50W。距离混凝土块表面40mm的位置处预埋温度传感器2并连接温度记录仪3。混凝土的比热容为970J/(kg·℃)，密度为ρkg/m3，被加热区域面积与混凝土区域Ⅰ的加热面积相同，均为S，S的单位为m2，则被加热区域的质量为0.04ρS kg。加热至温度传感器2的温度显示为+5℃时即停止试验，记录加热时间D'min。虽然，在加热过程中从混凝土表面至40mm体积内，温度是连续变化的，由于混凝土层厚度较小，为了简便计算，取+5℃作为该混凝土区域内的平均温度，混凝土区域I的加热时间计算的终点温度也取+5℃。当恒定功率发热装置4所散发的热量全部被混凝土吸收时，混凝土的加热时间理论上应为D min，则应有等式：
3000·D＝970·0.04ρS(5-Ta)＝38.8ρS(5-Ta)
但是由于被加热区域中混凝土向四周的传热以及混凝土本身吸收能量的速度，被加热区域混凝土实际的加热功率并不等于恒定功率发热装置4的功率，导致混凝土实际升温时间为D'min，则混凝土实际的加热功率为：
则校正系数的计算方法为：
进一步的，标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，单位为℃，d＝∑△di，d为混凝土进行测试时的龄期，单位为天。
根据混凝土区域I的水化程度α计算得到混凝土区域I的结冰量β，单位为kg，计算过如下：
β＝VW(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，单位为kg/m3，V为混凝土区域I中加热混凝土的体积，单位为m3；
混凝土区域I的温升时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α和混凝土区域I的结冰量βkg计算得出，恒定功率发热装置4的功率为50W时，将混凝土区域I中恒定功率发热装置4对应的加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt min，其计算方法为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS℃，ρ为混凝土区域I的密度，单位为kg/m3，Z为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，单位为kg/m3，根据公式(1)、(2)和(3)，得到温升时间Δt min。
进一步的，分别对混凝土区域I与混凝土区域Ⅱ进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置4设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置4的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置4至Δt时停止加热，此时加热区域处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置4，将贯入仪设置在加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在结冰混凝土处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果。第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，代表混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土受冻结冰情况越严重。当比值为1时，代表混凝土没有遭受到损伤。
进一步的，将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，获得现场混凝土无冰状态下的抗压强度。
进一步的，在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域Ⅱ内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。
进一步的，加热后混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min。
进一步的，贯入仪的测点与温度传感器2的水平距离不低于500mm。温度传感器2到混凝土工程1表面之间的直线距离为40mm。
本实施方式中恒定功率发热装置4为现有设备，加热功率为50W，本发明所用恒定功率发热装置4的表面带有隔热保温棉，避免热能向空气中散失，节省能量，缩短混凝土加热时间，并根据现场加热保温情况用校正系数γ进行校正，提高计算精度，并且可以降低混凝土加热过程中的水化作用对试验结果造成的影响。
具体实施方式三：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式包括以下三个步骤，温度传感器2的预埋，计算混凝土区域I中被加热混凝土的温升时间以及贯入深度的测定：
步骤一：温度传感器2的预埋；
对处于相同的养护环境的同一混凝土工程1，即使对不同龄期的混凝土工程1进行测试，也可仅选一个点作为温度测点，在混凝土浇筑时，于混凝土工程1表面40mm深度处埋置温度传感器2，并用将其连接至温度记录仪3，实时记录混凝土工程1的温度变化。
步骤二：计算混凝土温升时间：
恒定功率发热装置4的加热功率为50W。由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置提供的能量，且考虑到被加热区域中混凝土向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正。校正系数的获取需通过预实验进行得到。
对负温温度进行区间分段，对每个温度区间分别取校正系数，根据混凝土工程1所在地的多年冬期最低温度数据，合理确定预实验所需的温度区间的个数。从0℃开始每降温-5℃作为一个温度区间，保险起见取每个温度区间内最低的温度所对应的校正系数作为该温度区间内的校正系数。
混凝土配合比以及水化程度，冰的存在对加热时间的影响将在对混凝土区域Ⅰ的加热时间计算中考虑，此处校正系数的计算只考虑负温温度的影响。将一块成熟混凝土块放入某温度区间的最低温度Ta℃中，用相同恒定功率发热装置4进行加热，功率为50W。距离混凝土块表面40mm的位置处预埋温度传感器2并连接温度记录仪3。混凝土的比热容为970J/(kg·℃)，密度为ρkg/m3，被加热区域面积与混凝土区域Ⅰ的加热面积相同，均为S，S的单位为m2，则被加热区域的质量为0.04ρS kg。加热至温度传感器2的温度显示为+5℃时即停止试验，记录加热时间D'min。当恒定功率发热装置4所散发的热量全部被混凝土吸收时，混凝土的加热时间理论上应为D min，则应有等式：
3000·D＝970·0.04ρS(5-Ta)＝38.8ρS(5-Ta)
但是由于被加热区域中混凝土向四周的传热以及混凝土本身吸收能量的速度，被加热区域混凝土实际的加热功率并不等于恒定功率发热装置4的功率，导致混凝土实际升温时间为D'min，则混凝土实际的加热功率为：
则校正系数的计算方法为：
混凝土含冰量的计算，认为混凝土工程1中当混凝土在温度为20℃的环境中养护28天时水化完全，则当混凝土工程1的龄期为d天时，混凝土工程1的水化程度α为：
其中，Ti为Δdi时间内的温度，Ti的单位为℃
d＝∑△di
混凝土工程1用水量为W kg/m3，所需要加热区域中混凝土工程1的体积为V m3，保险起见，认为负温受冻时目标混凝土区域内部所有的未水化水均受冻结冰，则此时该加热区域的结冰量为βkg：
β＝WV(1-α)
根据上述关系式得出：
负温环境下，该加热区域共由冰、水化产物、未水化水泥颗粒以及砂石组成。则认为该加热区域由环境温度升温至指定正温所需要的能量为这三者吸收能量的总和，冰的比热容为2.1×103J/(kg·℃)，冰转换成水所发生的相变吸收的潜热为3.35×105J/kg，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，该配合比的混凝土的密度为ρkg/m3，水化产物和未水化水泥颗粒的比热容相近，在0℃时约为720J/(kg·℃)。砂石的比热容为920J/(kg·℃)，从配合比可知砂石总用量为Z kg/m3。开始加热前混凝土工程1的温度与环境温度相同，均为TS，忽略被加热区域混凝土向其余部位混凝土的传热，则将混凝土工程1加热至指定温度Te(Te＝+5℃)所需要吸收的能量Q1为：Q1＝2.1×103·β·(-Ts)+3.35×105·β+4.2×103·β·Ts
+720×(Vρ-β-ZV)×(Te-Ts)+920×ZV×(Te-Ts)＝-2.1×103·β·Ts+3.56×105·β+720×(Vρ-β-ZV)×(5-Ts)+920×ZV×(5-Ts)
当选择恒定功率发热装置4的功率为50W时，将负温混凝土工程1从环境温度Ts加热至指定正温温度Te℃所需要的时间为Δtmin，恒定功率发热装置4选择纯电阻电路，电功率完全转化为热功率。则在时间Δtmin内恒定功率发热装置4所释放的热量为：
Q2＝50×60△t＝3000△t
从而得到，
Q1＝Q2
由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置提供的能量，且考虑到被加热区域的混凝土向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正，校正系数为γ，进一步得到恒定功率发热装置4对应的加热区域的加热时间为：
由此等式可见，混凝土区域I中的温升时间与混凝土工程1配合比、环境温度、龄期均有关系。
步骤三：贯入深度的测定：
贯入仪为现有装置，其工作过程与现有技术相同，当利用贯入仪对混凝土区域II进行贯入深度测试时，测点应远离温度传感器2，距离温度传感器2的水平距离不应低于500mm，以免由于测钉5射入引起的裂缝损伤对温度传感器2造成影响。
如图6所示，用加力杆12挂住贯入仪后方的挂钩11，将测钉5放入测钉孔8，用紧钉器6拧紧测钉5，围绕挂钩11旋转加力杆12将测钉5上膛。将贯入仪的扁头7放于测点表面，贯入仪应正对加热区域的表面，握紧贯入仪的把手10，扣动扳机9将测钉5贯入混凝土工程1之中，该测点贯入完毕。
当测量混凝土区域I区域的贯入深度时，即测量第一贯入深度时，为了保证测钉5造成的混凝土损伤不对温度传感器2造成破坏以及恒定功率发热装置4的存在不影响温度传感器2的测温数据，测点亦应远离温度传感器2，恒定功率发热装置4的功率为50W。根据测试时现场的温度选择合适的校正系数γ，计算升温所需的加热时间Δt。将该功率的恒定功率发热装置4覆盖于被加入混凝土表面，通电至Δt时停止加热，此时混凝土区域I中被加热混凝土体积内部的冰已经融化。将恒定功率发热装置4去掉，然后按照混凝土区域II贯入深度的测试方法对该测点迅速进行贯入试验。
对加热后的混凝土区域I与未加热的混凝土区域II进行贯入之后，测量两个混凝土区域的贯入深度。将数显深度测量尺14开机并清零，用橡皮吹囊13将测点中的粉末清理干净，将数显深度测量尺14放入孔中，实际测量值为20mm减去仪器显示值，记录实际测量值，即为第一贯入深度和第二贯入深度。
将加热后的混凝土区域I与未加热的混凝土区域II的两个贯入深度值进行对比，第一贯入深度和第二贯入深度的差值百分数越大，表明该养护条件下混凝土的受冻结冰情况越严重，表示混凝土的损伤程度越大，形成对冬期施工中的混凝土的定量评价。
步骤四：抗压强度的推定：
标准养护条件下混凝土贯入深度-抗压强度的关系是对不同强度等级混凝土进行贯入深度测量的同时，进行抗压强度的测试，建立的贯入深度和抗压强度的关系曲线图。
根据已建立正温标准养护的混凝土的贯入深度与抗压强度的关系曲线，由第一贯入深度在该曲线上即可直接确定混凝土抗压强度，从而实现对冬期施工中的混凝土的抗压强度的评价。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，为防止测量结果的偶然性，混凝土区域I与混凝土区域II每次测试时测点均不应少于5个，并且结果去掉最大值与最小值后取平均值。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，为保证测钉5垂直射入混凝土工程1中，测试时测点表面应平整。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，每次测试前均应检查测钉5磨损情况，磨损严重的测钉5不可使用。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，加热深度不应少于测钉5射入的最大深度，加热深度为最佳加热深度40mm，通过加热深度与加热区域的面积得到混凝土区域I中加热混凝土的体积V。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，对混凝土进行贯入深度测试时，应在5min之内完成，以避免该加热至正温区域混凝土暴露在负温环境下时再次受冻结冰影响测试。
具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，步骤二中含冰量的计算是假定所有的未反应水全都冻结，对比负温混凝土在结冰状态下的贯入深度，以及在加热之后不含冰状态下的贯入深度，贯入深度的差值百分数越大，代表负温下混凝土实际结冰量越多，受冻越严重。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，本发明不仅可以对负温混凝土早期水化强度进行监测，当混凝土服役多年之后，依然可进行贯入深度的测定，可根据现有的贯入深度与抗压强度的关系得到混凝土实际的抗压强度，鉴定混凝土损伤。
本发明能够根据贯入深度来判断负温混凝土的受冻情况以及抗压强度。具体实施例如下：
实施例一：为使得试验结果更加明显且具有说明性，该实施例混凝土选择较大水灰比，养护时间较短且负温受冻温度较低。选用C30混凝土，配合比为水泥300kg/m3，粉煤灰80kg/m3，中砂720kg/m3，粗骨料1080kg/m3，水190kg/m3，减水剂0.5％。混凝土的密度为2370kg/m3。为验证公式(3)的正确性，在需要加热的混凝土内埋置温度传感器2，温度传感器2距离混凝土表层的距离为40mm。将该混凝土成型后置于标准养护室，在+20℃养护12h后将混凝土置于-15℃冷库中继续养护12h。负温-15℃条件下对混凝土进行贯入深度测试，然后对混凝土进行加热，加热面积为150mm×150mm，本实施例中恒定功率加热装置4的功率为50W，经多次试验测定，本试验温度条件下的γ值为0.5，根据公式(3)，当恒定功率发热装置4的功率为50W时，混凝土的升温时间应为66min。对混凝土进行加热，实时记录混凝土温度，当温度显示为+5℃时即停止加热，拆除恒定功率发热装置4立即进行贯入深度测试。混凝土内部温升曲线见图10。
从图10中可见，在该加热功率下，混凝土加热至正温的所需时间为59min，与计算所得结果66min相近。
由以上结果证明，本发明提出的混凝土温升时间计算方法中的公式(3)是合理可靠的。
对比结冰混凝土区域II的第二贯入深度和混凝土区域I的第一贯入深度，-15℃混凝土受冻状态下，第二贯入深度平均值为5.99mm，而当混凝土加热至+5℃状态时，第一贯入深度平均值为13.13mm。混凝土第一贯入深度与第二贯入深度的比值为4.60，说明在此养护条件下的混凝土中，冰的存在大大降低了混凝土的贯入深度，说明此时混凝土内部受冻很严重。
该实施例中混凝土本身的贯入深度高达13.13mm，对应的抗压强度为2.6MPa。当建立混凝土抗压强度和贯入深度的关系后，从混凝土贯入深度-抗压强度曲线上直接查得此值。
本实施例证明，本发明提供可靠的方法来检测混凝土受冻状态，提供计算方法根据混凝土配合比，养护制度以及龄期选择某一功率加热装置进行加热一定时间，测定混凝土加热后无冰状态下的贯入深度，最终获得其抗压强度，从而实现定性和定量相结合进行综合评价过程。
本发明利用贯入深度作为评价混凝土受冻时结冰情况的微破损检测指标，通过给定算法合理的选择加热功率，使得混凝土在一定时间内即可上升至正温，既保证了冰的消融又不会因升温时间过长而发生大量的水化影响强度测试，使用唯一的温度传感器2有效避免在各个测点下均设置温度传感器2，仅需通过混凝土的实际养护温度以及混凝土配合比即可获得各龄期下加热混凝土所需要的时间。利用负温受冻混凝土在加热前后的贯入深度变化即可探知混凝土内部的结冰情况，依据建立混凝土贯入深度和抗压强度的关系曲线，通过负温混凝土加热后的贯入深度直接获知混凝土的抗压强度。本发明对冬期施工中混凝土的冻害防治具有指导意义。适合用于混凝土受冻结冰的微破损检测。
Claims (10)
1.一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：包括：
在混凝土工程(1)中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，通过公式推导计算方式获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，对加热后的混凝土区域I和未加热的混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。
2.根据权利要求1所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：在混凝土工程(1)浇筑时，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器(2)作为温度测点，温度传感器(2)与温度记录仪(3)相连接，记录混凝土内的温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi。
3.根据权利要求2所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：确定混凝土区域I中被加热区域的面积，加热深度取40mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
4.根据权利要求3所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，d＝∑△di，d为混凝土进行测试时的龄期；
根据混凝土区域I的水化程度α计算得到混凝土区域I的结冰量β，计算过程如下：
β＝VW(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，V为混凝土区域I中被加热混凝土的体积；
混凝土区域I的加热时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α及其结冰量β计算得出，当选择恒定功率发热装置(4)的功率为P时，将混凝土区域I中恒定功率发热装置(4)对应的被加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt，其计算公式为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS，ρ为混凝土区域I的密度，Z为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，γ为校正系数，根据公式(1)、(2)和(3)，得到加热时间Δt。
5.根据权利要求4所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置(4)设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置(4)的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置(4)至Δt时停止加热，此时混凝土区域I处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置(4)，将贯入仪设置在被加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在混凝土区域II处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程(1)受冻结冰情况越严重，当第一贯入深度与第二贯入深度的比值为1时，表示混凝土工程(1)没有遭受到损伤。
6.根据权利要求5所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，给出现场混凝土早期抗压强度。
7.根据权利要求5所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域II内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。
8.根据权利要求5、6或7所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min，贯入仪的测点与温度传感器(2)之间水平距离的最小值为500mm。
9.根据权利要求2至7中任一项所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：温度传感器(2)到混凝土工程(1)表面之间的直线距离为40mm。
10.根据权利要求4所述的一种贯入式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：校正系数γ的取值范围为0.3～1。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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